回到北京后，徐旭生很快整理发表了《1959年夏豫西调查“夏墟”的初步报告》，指明了下一步工作的方向：“此后对此河南偏西部、山西西南部两重点应当作较大规模的调查或复查以便能早日订定科学的发掘计划”----二里头遗址的考古发掘的序幕就此揭开。

二里头遗址早期的科学考古发掘肇始于徐旭生调查，以及他基于文献对二里头遗址是商汤时期都城西毫的推测。就在徐旭生的豫西考古调查结束后不久，1959年秋季河南省文化局文物工作队和中国科学院考古研究所洛阳发掘队都前往二里头遗址进行了试掘---二里头遗址的科学考古发掘由此开启。

经过数次发掘，考古人员确认了二里头文化的时间上限晚于龙山文化，下限则早于郑州二里岗的商文化。它是在继承河南龙山文化的基础上，吸收了山东龙山文化的因素而形成。1972年，中科院考古所在之前的基础上又进行了数次发掘，揭露了1号宫殿基址西半部约7100平方米。经历了15年的发掘，其建筑结构和布局终于露出了庐山真面目。1号宫殿是由主体殿堂、廊庑、大门、庭院等组成的建筑群，殿堂位于北部中央，坐北朝南，大门位于南廊中部，与殿堂南北对应，在建筑四周有相互连接的廊房。

1976年，中科院考古所在二里头遗址中部进行考古发掘时，又发现了2号宫殿遗址，面积为4300多平方米，同样是主体殿堂坐北朝南，殿堂后有一座“大墓”遗迹，四周廊房围绕构成封闭建筑。通过宫殿遗址的发掘与研究，考古学者注意到二里头遗址的四大基本特征：“坐北朝南，中轴对称”；“中央突出，四围向心，严密封闭”；“高台建筑，土木结构”；“庖厨居东”。这种形制和结构反映了森严的等级社会制度和至高无上的王权，亦是自商周以来中国“数千年间帝王宫室的本源”，同时也从考古学上确认了二里头遗址的都邑性质。

20世纪70年代末，中科院考古所开始转向宫殿建筑以外的房屋、作坊、祭祀坑、墓葬等遗址发掘，获得数量众多的陶器和玉器、铜器等遗物，其中一些器物为之前发掘所未见，如有一式铜爵加有镂空圈足，系二里头遗址科学考古发掘以来首次发现。这些发现进一步弄清了二里头文化的性质与特征，“显现了二里头遗址不同于一般聚落的都邑文化的重要内涵。”

在世纪之交，社科院考古所决定将“探索二里头遗址宫殿区的结构布局作为田野工作的重点”，在2001年以此前考古发现的一条南北向道路为线索，开始探索宫殿区的道路系统，发现了宫殿外的3条道路遗迹。2003年，考古学者对道路进行了进一步解剖，发现了宫殿城墙遗址，并凭此搞清楚了整个宫殿和道路的范围、结构及年代等问题。

随着数十年来二里头遗址考古的推进，获得了诸多重要的发现，这座城市“缜密规划”“布局严整”，有着“中国最早的中轴线规模的大型宫室建筑群”，“是后世中国古代宫城的鼻祖”。宫殿区南是青铜器、绿松石等手工业作坊区；宫殿区北和西北是祭祀区；宫城周围道路外侧为贵族墓葬区；在宫殿遗址外是纵横交错的道路网。二里头遗址处处体现出非凡的“帝王气象”，是“延续了三千多年的中国古代王朝都城营建规制”的开端。